CryoCMOS聯(lián)盟開發(fā)4K和77K晶體管模型，以實現(xiàn)CryoIP的開發(fā)

由sureCore公司牽頭的英國技術戰(zhàn)略委員會資助的CryoCMOS創(chuàng)新聯(lián)盟報告說，它已經(jīng)成功地創(chuàng)造了新的PDK質(zhì)量級的晶體管模型，其特點是4K和77K運作。SureCore正在利用這些技術開發(fā)關鍵基礎IP，以便設計用于量子計算領域的低溫控制ASIC。支持這一活動的關鍵是由比利時魯汶-拉-紐夫的Incize進行的精確的低溫測量。

(資料圖片僅供參考)

Testing inside the cryostat. Photo courtesy of Incize

該項目試圖解決的是量子計算帶來的挑戰(zhàn)：有效控制量子比特，量子比特只能在低溫下運行，通常在4K左右，在低溫恒溫器的范圍內(nèi)。操縱量子比特所需的控制單元通常位于低溫恒溫器之外，目前只能在接近室溫的溫度下工作。這是因為按規(guī)定硅芯片只在-40℃至125℃(233K至398K)下工作。連接兩者需要昂貴而笨重的布線，除了固有的延遲影響外，所有量子比特所需的布線量對量子計算機擴展構成了根本障礙。

如果要實現(xiàn)量子計算的潛力，那么增加量子比特的數(shù)量是關鍵。唯一的解決方案是將控制單元與低溫恒溫器中的量子比特放在一起。然而，考慮到當前硅芯片的有限溫度范圍，這目前還無法實現(xiàn)。該項目的目的是了解和模擬在低溫下晶體管性能的變化，產(chǎn)生一套重新定義的晶體管模型，然后使用這些模型設計CryoCMOS IP組合，以促進定制芯片的開發(fā)，這些芯片可以在低溫下直接連接到低溫恒溫器內(nèi)部的量子比特。

溫度驟降影響晶體管的關鍵參數(shù)之一是閾值電壓(Vt)。隨著溫度的降低，Vt大幅增加，推動晶體管選擇低和超低Vt變體(LVt/SLVt)。為了進一步減輕這一設計挑戰(zhàn)，本項目選擇了GF 22nm FDSOI (22FDX)工藝節(jié)點。FDSOI是一種理想的技術選擇，可以通過改變后偏置來調(diào)整閾值電壓，從而實現(xiàn)最佳的低溫設計。

獲得精確的低溫晶體管模型的關鍵是選擇一個可以進行單獨晶體管測量的合作伙伴。sureCore首席執(zhí)行官Paul Wells表示:“我們之所以選擇Incize，是因為它是少數(shù)幾家專門從事低溫恒溫器條件下精確低溫晶體管測量的商業(yè)公司之一。你不能在4K低溫恒溫器中隨意重新排列芯片上的探測器。我們對從incise收到的測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量非常滿意?！?/p>

Incize首席執(zhí)行官Mostafa Emam評論道:“很高興與sureCore和SemiWise在該項目中合作，提供我們的低溫表征服務。Incize提供廣泛的技術支持服務，包括廣泛應用的表征和建模，以及針對高性能半導體器件的制造工藝優(yōu)化。”

SemiWise使用測量數(shù)據(jù)開發(fā)新的晶體管模型，包括典型(TT)以及corners(Slow-Slow, SS & Fast-Fast, FF)晶體管，這將使可靠的電路設計適用于4K和77K。 SemiWise首席執(zhí)行官Asen Asenov教授解釋說:“標準CMOS的特點是通常的性能參數(shù)為-40℃至+125℃。因此，將標準CMOS溫度降至4K或-270C是邁向晶體管運作特性顯著改變的新領域的重要一步?！?SemiWise正在使用測量和模擬數(shù)據(jù)的組合來重新確定鑄工晶體管SPICE模型的低溫中心，以便22FDX節(jié)點可以用于可靠的低溫電路設計。專利的SemiWise重新居中技術允許開發(fā)典型和corner晶體管模型以及統(tǒng)計不匹配模型，這些對SRAM設計過程都至關重要?；谶@些重新集中的低溫晶體管模型，sureCore正在利用其低功耗設計專業(yè)知識開發(fā)一套功率優(yōu)化的基礎IP，包括標準單元，SRAM, ROM和寄存器文件。低功耗是量子計算領域的一個關鍵設計標準，因為功耗轉化為不受歡迎的熱效應，給低溫恒溫器帶來額外的冷卻負擔。

英國技術戰(zhàn)略委員會向CryoCMOS聯(lián)盟授予了650萬英鎊的贈款。該項目將有助于使所有英國量子計算公司都可以使用cryo-IP，以便他們在提供量子計算解決方案的競爭中快速跟蹤，并使英國成為量子計算的卓越中心。通過組建一個由量子計算領域的主要英國領導人組成的團隊，該項目預計能夠在不到三年的時間內(nèi)取得成果，而不是像個體那樣工作多年。

sureCore?

sureCore是超低功耗的嵌入式存儲器專家，是低功耗創(chuàng)新者，通過超低功耗存儲器設計服務和標準IP產(chǎn)品的組合，使IC設計界能夠滿足苛刻的功耗預算。sureCore的低功耗工程方法和設計流程通過全面的產(chǎn)品和設計服務組合滿足了最嚴格的存儲器要求，為客戶創(chuàng)造了明顯的市場差異。該公司的低功耗產(chǎn)品線包括一系列接近閾值、經(jīng)過硅驗證、以及工藝獨立的SRAM IP。

www.sure-core.com enquiries@sure-core.com

Incize

Incize是半導體材料和器件表征和建模的強大公司。Incize提供的服務涵蓋硅，III-V，壓電，介電和二維材料等廣泛的技術。Incize支持模擬/混合信號和射頻、量子計算、低功耗和高功耗應用的客戶端。Incize很榮幸來為晶圓制造商、無晶圓廠和代工公司的客戶提供服務。Incize提供的表征和建模服務基于十多年的先進研發(fā)，提供最高精度和最先進的技術支持。

www.incize.com info@incize.com

SemiWise

SemiWise開發(fā)創(chuàng)新的低功耗CMOS晶體管級IP，提高性能和可變性，并大幅降低功耗。SemiWise還為半導體行業(yè)提供模擬服務和咨詢，包括無晶圓廠、IEDM和代工廠商。作為SemiWise的首席執(zhí)行官，Asenov教授是黃金標準模擬(GSS)的創(chuàng)始人，這是格拉斯哥大學2010年的一家初創(chuàng)公司，開發(fā)了第一個基于TCAD的設計技術和優(yōu)化(DTCO)工具鏈。在2016年被Synopsys收購后，最初由GSS開發(fā)的TCAD-to- spice技術現(xiàn)在是Synopsys TCAD產(chǎn)品的一部分，即所謂的TCAD-to- spice流程，并繼續(xù)由Synopsys在格拉斯哥的研發(fā)部門開發(fā)。

https://www.synopsys.com/silicon/tcad.html.

www.semiconductorwise.com asen.asenov@glasgow.ac.uk +44 07523 293 782

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